_第10章+非相干检测方法与系统

分别为信号光、背景光和暗电流引起的散粒噪声。
学
2
2
2
(SNR )p
=
Po = Pno
成
院
____ 2 NS
光
____ ____ ____ ____ . 2 2 2 2 = i NS + i NB + i ND + i NT R L
(e h hn )2 . Ps2
i +i
____ 2 NB
电 技 术
+i
____ 2 ND
学
院
直接检测系统的检测极限及趋近方法
+i
____ 2 NT
13
二、 直接检测系统
(SNR) p
电 技 术
i +i +i +i ① 当热噪声是直接检测系统 的主要噪声源时，直接检测系统受热噪声限制，信噪比为：
程
② 当散粒噪声远大于热噪声时，直接检测系统受散粒噪声限 制，信噪比为： (e h hn )2 . P 2
成
都
信
息
工
程
学
院
光
5
电 技 术
学
院
一、 光电信号变化及检测系统概述
根据光电信号的时空特点，在光电系统中常用的各种 信号大致可分作下面的两种类型：
1）随时间变化的光电信号。这类信号的变换通常集 中发生于局部的空间范围，它的特征参量只随时间缓慢 地，或周期性或瞬时地变化，因此是时间的一维函数而 与空间坐标无关，可用函数F(t)表示。
信
息
工
程
学
院
光电系统所处理的输入信号有一类是辐射光通量直 接随被测信息变化的。这种情况下的被测信息是载荷 在光通量的幅度大小、变化频率或变化相位上，检测 这些参量可以测量出所需要的信息。
18
光
电 技 术
学
时变光信号的直接测量
院
三、 时间变化的光电信号检测
2．双通道测量系统
2．时间测量
19
成
1．相位测量
(SNR )p 信
=
工
该式为直流检测在理论上的极限信噪比，称为直接检测系统 的量子极限，又称量子极限灵敏度。 若用等效噪声功率NEP值表示，在量子极限下，直接检测系 统理论上可测量的最小功率为：
程
学
院
光
电 技 术
2 hn D f
s
假定光波长λ=0.7µm，检测器的量子效率η=1，测量带宽 Δf=1，由上式得到系统在量子极限下的最小可检测功率为
成
都
信
息
工
程
学
院
光
3
电 技 术
学
院
一、 光电信号变化及检测系统概述
物理光学
成
光电子学
都
信
电光效应、磁光效应、 光调制、光束偏转、光通讯、 声光效应、空间光调制、 光记录、光存储、光显示、 光束纤维传输传感等光 传光、传象、传感等。 电现象。
4
息
衍射、干涉、光谱、波 莫尔条纹、干涉计量、外差 长变换、光学拍频等相 通讯、光谱分析、散斑全息 干光的光学现象。 测量等。
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成
都
信
息
工
程
学
院
光
电 技 术
光电检测技术
学
院
第10章 非相干检测方法与系统
电 技 术
光电信号变换及检测系统概述
信
成
都
习题作业
2
息
直接检测系统举例
工
调制盘及空间滤波
程
时间变化的光电信号检测
学
院
光
直接检测系统
学
院
一、 光电信号变化及检测系统概述
在光电系统的信号形成、传送、检测和处理过程中， 通常要借助于几何光学的、物理光学的或光电子学的方 法对信号的组编形式和能量状态进行人为的变换，包括 将一种光量转换为另一种光量，将非光量转换为光量或 将连续光量变换为脉冲光量等。 这种变换的目的在于： 将待处理信息载荷到光载波上进而形成光电信号； 改善系统的时间空间分辨能力和动态品质，提高传输 和检测精度； 改善系统的检测信噪比，提高工作可靠性和对环境的 适应能力。
.
(e h hn )2 . Ps2
学
院
P = o = P no
(eh
____ 2 NS
2 hn ) P s 2 ____ 2 ND ____ 2 NT
____ 2 NB
+i
h . Ps2 = 2 hn D f . PB
14
二、 直接检测系统
④ 当入射信号光波所引起的散粒噪声为直接检测系统的主 要噪声源时，直接检测系统受信号噪声限制，这时信噪比 为： h.P
成
都
信
息
工
程
学
院
16
光
电 技 术
学
院
二、 直接检测系统
视场角表示系统能检测到的 空间范围，是检测系统的性能指 标之一。对于检测系统，被测物 看作是在无穷远处，且物方与像 方介质相同。当检测器位于焦平 面上时，其半视场角为：
学
院
w
u'
直接检测系统的视场角
物镜
检测器
电 技 术
D
w
d
统的焦距，但对检测器会带来不利影响： ① 增加检测器面积意味着增大系统噪声。因为对大多数检测器，噪 声功率和面积的平方根成正比。 ② 减小焦距使系统的相对孔径加大，引入系统背景辐射噪声，使系 统灵敏方式下降。 因此在系统设计时，在检测到信号的基础上尽可能减小系统视场角。 17
相干检测， 原理：利用光的振幅、频率、相位携带信息， 检测时需要用光波相干原理。
成
都
调制方法：光振幅调制、相位调制，频率调制
测量精度（灵敏度）更高，作用距离更远。
7
信
光源：相干光源
息
工
光 电 检 测 系 统
直接检测是一种简单实用的方法。
光 外 差 检 测
程
学
院
光
直 接 检 测
电信号，解调电路检出信息。 调制方法：光强度调制、偏振调制。
光场平均光功率为：
学
院
2 = = ( ) Ps E t A 2
成
______ h e eh 2 2 I s = aPs = Es (t ) = A 2 hn hn
都
信
息
光检测器输出电流为：
工
程
_______ 2 s
E (t ) 表示 E 2 ( t) s
光
电 技 术
的时间平均值；
eh a = 称为光电变换比例常数 n h
工
(SNR )p 散
学
院
光
(SNR )p 热
=
(e h
h n ) Ps 2 4 kT D f R L
2 .
s ____ 2 ND
=
成
都
③ 当背景噪声是直接检测系统的主要噪声源时，直接检测系统 受背景噪声限制，信噪比为：
信
息
____ 2 NS
i
+i
____ 2 NB
(SNR )p背
=
h . e 2 eD f PB hn
都
由信噪比定义，输出功率信噪比为：
信
息
eh Po = hn
程
2
学
考虑到信号和噪声的独立性，有：
院
工
.
R L . Ps
2
eh Pno = hn
2
光
Po + Pno
=
eh hn
2
.
电 技 术
RL
.
(Ps + Pn )2
2
学
直接检测系统的信噪比—衡量模拟系统好坏及灵敏度
工
程
学
院
光
几何光学
光开关、光学编码、光学扫 直进、遮光；反射、折 描、瞄准定位、准直定向、 射；光学成象等非相干 测长测角、测距、成象测量 光的光学现象。 等。
电 技 术
变换方法
光学原理
学
院
应用
典型光电信号变换方法的光学原理和应用
一、 光电信号变化及检测系统概述
几何变换的光电方法是基于将光学现象看作是直 线光束传输的结果，是在几何光学的意义上利用光 束传播的直线性、透光、反射、折射、成象等光学 方法进行的信号变换。物理变换的光电方法是将光 学现象看作是电磁波振荡传播的结果，是在物理光 学的意义上利用光的衍射、干涉、光谱、波长变换 等光学现象和参量进行的信号变换。随着光电子学 的发展，出现了各种新型的光控制器件，它们为光 信号的实时变换和光路的集成化提供了广阔的发展 前景。这些变换方法常常单独或者若干组合后应用 于不同目的的光电系统中。
成
2）随空间变化的光电信号。这类信号发生在一定的 空间坐标范围内，光电信号的参量随空间位置而改变。 因此是二维或三维空间的函数，用函数F(x,y,z)表示，其 中随时间变化的信号称作时空变化的光电信号，用函数 F(x,y,z,t)表示。
都
信
息
工
程
学
院
光
6
电 技 术
学
院
一、 光电信号变化及检测系统概述
电 技 术
原理：利用光强度携带信息，将光强度转换为
学
光源：非相干或相干光源
院
非相干检测，
一、 光电信号变化及检测系统概述
学
院
光电直接检测系统的基本工作原理
光学 天线 信号 发射机 光学 通道
背景噪声场
光
电 技 术
光源
强度 调制器
接收天线 及光电检 测器
光电信 号处理 器 电路噪声
回 收 的 信 息
9
学
院
假定入射光信号电场为：
二、 直接检测系统
eh 2 2 Po = I s R L = Ps R L hn
式中第一项为直流项，若光检测器输出端有隔直 电容，则输出光电流只包含第二项，称为包络检测。
成
都
1 2 2 = a + a is A A d (t ) 2
信
息
工
其中d(t)为调制信号，可推导出光检测器的输出电流为:
光
电 技 术
(SNR )p
(Ps Pn )2
(SNR ) p
学
院
2
1 Ps 2 Pn
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二、 直接检测系统
考虑直接检测系统中存在的所有噪声，则输出噪声总 功率为：
Pno
____ ____
____
____
i
2
都
信
输出信噪比为：
息
NT
工Biblioteka Baidu
为负载电阻和放大器的热噪声之和。
程
i NS
, i NB
和
i ND
学
院
接收机
检测系统经光学天线或直接由检测器接收光信号，前端还可 经过频率滤波和空间滤波等处理。
成
都
信
光电直接检测系统是将待光信号直接入射到光检测器光敏面 上，光检测器响应光辐射强度（幅度）并输出相应的电流和电压。
息
工
强度调制直接检测模型
程
8
二、 直接检测系统
Es (t ) = A cos wt
_______ 2 s
都
信
光通量的相位和时间测量
息
工
2．频率测量
程
1．波数测量
学
院
光通量的频率测量
光
电 技 术
1．单通道测量系统
学
光通量的幅度测量
院
三、 时间变化的光电信号检测
1．单通道测量系统
单通道测量系统和直读法 a) 原理示意图 b) 方框图 1-辐射源 2-被测样品（或标准样品） 3-检测器 4-光电信号放大器 5-指示仪表
程
学
如果入射光是调幅波，即 E s (t ) = A[ 1 + d (t )]cos w t
院
光检测器的平方律特性：光电流正比于光电场振幅的平 方，电输出功率正比于入射光功率的平方。
10
光
电 技 术
学
2
院
若光检测器负载电阻RL，则光检测器输出电功率为：
二、 直接检测系统
光检测器输出的总功率包括信号电功率和噪声功率，可为：
成
都
信
(NEP )量
息
学
=
院
2 hn D f
h
Pmin = 10 18 W
15
二、 直接检测系统
在实际直接检测系统中，很难达到量子极限检测。实际系 统总会有背景噪声、检测器和放大器的热噪声。 背景限信噪比可以在激光检测系统中实现，是因为激光光 谱窄，加滤光片很容易消除背景光，实现背景限信噪比。 系统趋近于量子极限意味着信噪比的改善，可行方法是在 光电检测过程中利用光检测器的内增益获得光电倍增，如光电 倍增管。当倍增很大时，热噪声可忽略，同时加致冷、屏蔽等 措施减小暗电流及背景噪声，光电倍增管可达到散粒噪声限。 在特殊条件下可趋近于量子限。但倍增管也会带入噪声，增益 过程中使噪声增加。 在直接检测中，光电倍增管、雪崩管的检测能力较高，采 用有内部高增益的检测器可使直接检测系统趋近于检测极限。 对于光电导器件，主要噪声为产生复合噪声（极限散粒噪声）， 光电导器件极限信噪比低，NEP较大。
20
成
都
信
息
工
程
学
院
光
电 技 术
学
院
光通量的幅度测量
三、 时间变化的光电信号检测
被测光通量沿单一光学通道传送到光电接收器，经由读出装置 进行测量的系统称作单通道测量系统。图中，由辐射源1产生的 光通量Φ0，经布置于光路上的被测样品或标准样品2的部分吸收 或散射，投射到检测器3的光敏表面上。利用光电信号放大器4可 以测量出载有信息的光通量Φ，最后由指示仪表5显示记录下被测 量的结果。单通道测量系统常用的测量方法是直读法和指零法。
成
都
信
息
从观察角度讲，希望视场角愈大愈好，即大检测器面积或减小光学系
工
d w = 2f Ad 或视场角立体角Ω为： = 2 f
院
光
f'
学
程
直接检测系统视场角
三、 时间变化的光电信号检测
成
都
例如，直接测量来自被测物体的光辐射进行的光谱 分析和辐射测温；通过检测被测物体的透光率测量气 体液体的浓度或薄膜厚度；以及通过测量反射率检测 物体的表面状态等。下面介绍直接随信息改变的光通 量测量方法。
可见，直接检测方法不能改善输入信噪比，适宜 不是很微弱的光信号检测。但这种方法简单，易于实 现，可靠性高，成本低，得到广泛应用。
成
输出信噪比是输入信噪比的一半。即经过光电转换，信噪 比损失了3dB。实际应用中可以接受。
都
信
息
工
程
(2)若 Ps Pn >> 1 ，则有：
学
院
说明输出信噪比是输入信噪比的平方，可见，直接检测系 统不适用于输入信噪比小于1或微弱光信号的检测。
院
.
2 R L . 2 Ps Pn + Pn
(SNR )p
=
Po Ps = = 2 Pno 2 Ps Pn + Pn 1 + 2 (Ps Pn )
11
(Ps
2 ) Pn
成
二、 直接检测系统
2 ( P P Ps Pn ) s (1)若 Ps Pn << 1 ，则有： (SNR) p = o = = 2 Pno 2 Ps Pn + Pn 1 + 2(Ps Pn )